eng
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.76.78
Проанализированы основные функциональные возможности мониторинга на принципах рассеяния Рэлея. Представлен анализ среды распространения импульсного излучения накачки, расчет фиксации отклика, вызванного потоком обратного рэлеевского рассеяния на основе методов математического моделирования, определяющего взаимосвязь микро- и макропараметров оптического волокна.
Проанализированы основные функциональные возможности мониторинга на принципах рассеяния Рэлея. Представлен анализ среды распространения импульсного излучения накачки, расчет фиксации отклика, вызванного потоком обратного рэлеевского рассеяния на основе методов математического моделирования, определяющего взаимосвязь микро- и макропараметров оптического волокна.
Теги: monitoring of optical fibers monitoring of optical fibers based on rayleigh scattering princi optical fibers rayleigh scattering мониторинг волс мониторинг волс на принципах рассеяния рэлея оптические волокна рассеяние рэлея
Рассеяние Рэлея в оптическом волокне
О.Г.Митченкова, инженер 2 категории департамента эксплуатации сетей доступа
ОДС АО "Казахтелеком", г. Кокшетау, аспирант СибГУТИ / oksana_mitchenko@mail.ru
УДК 621.391.63:681.7.068, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.76.78
Проанализированы основные функциональные возможности мониторинга на принципах рассеяния Рэлея. Представлен анализ среды распространения импульсного излучения накачки, расчет фиксации отклика, вызванного потоком обратного рэлеевского рассеяния на основе методов математического моделирования, определяющего взаимосвязь микро- и макропараметров оптического волокна.
Введение
Регламентированный контроль параметров волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является основой технической эксплуатации линейно-кабельного оборудования. В этой связи задача мониторинга оптического тракта является весьма актуальной. Технологический уровень систем мониторинга позволяет оценить ключевые моменты технического обслуживания сети методами обратного рассеяния Рэлея и спектрального анализа Мандельштама – Бриллюэна.
Особенности компонентов рассеяния Рэлея
В реальной неоднородной среде [1] свет распространяется равномерно без преимущественной ориентации, так как статистические флуктуации локальной диэлектрической проницаемости (ε) и коэффициента преломления (n) связаны зависимостью:
n=√εμ,
где: μ − магнитная проницаемость.
Для кварца μ = 1, тогда n = √ε.
При мониторинге ВОЛС средой распространения является сердечник оптического волокна (ОВ), которое изготавливается из химически чистого кварца SiO2. По сердечнику распространяется импульсное излучение длиной волны λ = 1550 нм.
Требования процесса производства ОВ к контролю чистоты и качества кварца такие же строгие, как принятые в полупроводниковой промышленности. Однако получить чистый на 100% кварц невозможно из-за остатков примесей ионов металлов и гидроксильных групп (OH), которые образуют центры рассеяния Рэлея.
Фактически такая направляющая среда представляет собой диэлектрический волновод, в котором распространяются электромагнитные колебания оптического диапазона частот − порядка 1014 Гц. Рэлеевское рассеяние индуцируется неоднородностью направляющей среды оптического волокна, где происходит формирование аккустической волны (рис.1) при воздействии энергии импульсного излучения накачки.
Основные компоненты рассеяния Рэлея, краткие характеристики и формулы, устанавливающие взаимосвязь микро- и макропараметров среды распространения излучения накачки, представлены в табл.1.
Значение километрического затухания, рассчитанного по формуле п. 4 обратно пропорционально четвертой степени длины волны и составляет 0,118 дБ/км, что определяет значение мощности обратно рассеянной волны в п.3.
Потери мощности обратно-рассеянного оптического излучения Рэлея:
Px = 0,5P0·∆t·10-5 e-2αx,
Px = 0,5P0·∆t·S·vгр·αd·e-2αx,
где P0 − мощность излучения накачки;
α − километрическое затухание оптического волокна;
x − расстояние до места неоднородности ОВ.
Рассеяние Рэлея объединяет время и пространство понятиями акустическая волна и законами геометрической оптики, что пояснено в п.6 табл.1. При движении акустической волны вдоль сердечника ОВ за счет фотоупругого эффекта кварца происходит периодическая модуляция показателя преломления. Скорость распространения акустической волны изменяется от 5,7 · 103 до 5,94 · 103 м/с согласно выражению:
va=√E/ρ, м/с,
где Е = 71 ГПа − модуль упругости Юнга;
ρ = 2200 кг м3 − удельный коэффициент плотности среды, зависит от параметров сердечника оптического волокна в отклике зондирующего излучения.
Взаимодействие волны импульсного излучения и акустической волны определяется соотношением, приведенным в п.6 табл.1:
λA = λИЗЛ/2n·sinΘ/2, нм,
где n − оптический показатель преломления,
Θ − угол между направлением распространения падающей и отраженной волны.
Эволюция формирования компонентов акустической волны определяется законами волновой и геометрической оптики. Пространственно-временные характеристики рассеяния Рэлея в ОВ способствовали определению километрического затухания согласно выражению [2]:
, дБ/км,
где n – коэффициент преломления среды: 1,48;
k − постоянная Больцмана: 1,38 · 10–23 Дж/К;
T − температура затвердевания кварцевого стекла при вытяжке ОВ: 1500 К;
β − коэффициент изотермической сжимаемости кварца: 8,1 · 10–11 м2/H;
λ − длина волны импульсного излучения накачки 1,568 · 10–6 м.
Заключение
Представлен процесс рассеяния Рэлея, который определяет количественные параметры основных характеристик ОВ согласно законам геометрической и волновой оптики. Оптическая рефлектометрия на принципах рассеяния Рэлея является одной из эффективных технологий контроля пространственно-временных характеристик оптического волокна.
Дальнейшие разработки измерительной техники и метрологического обеспечения специалистов линейно-кабельных сооружений − это практическая реализация динамики развития и внедрения оптических технологий в сетях телекоммуникаций.
ЛИТЕРАТУРА
Engelbrecht R. Nichtlineare Faseroptik. Springer, 2014
Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 272 с.
Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.
О.Г.Митченкова, инженер 2 категории департамента эксплуатации сетей доступа
ОДС АО "Казахтелеком", г. Кокшетау, аспирант СибГУТИ / oksana_mitchenko@mail.ru
УДК 621.391.63:681.7.068, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.76.78
Проанализированы основные функциональные возможности мониторинга на принципах рассеяния Рэлея. Представлен анализ среды распространения импульсного излучения накачки, расчет фиксации отклика, вызванного потоком обратного рэлеевского рассеяния на основе методов математического моделирования, определяющего взаимосвязь микро- и макропараметров оптического волокна.
Введение
Регламентированный контроль параметров волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является основой технической эксплуатации линейно-кабельного оборудования. В этой связи задача мониторинга оптического тракта является весьма актуальной. Технологический уровень систем мониторинга позволяет оценить ключевые моменты технического обслуживания сети методами обратного рассеяния Рэлея и спектрального анализа Мандельштама – Бриллюэна.
Особенности компонентов рассеяния Рэлея
В реальной неоднородной среде [1] свет распространяется равномерно без преимущественной ориентации, так как статистические флуктуации локальной диэлектрической проницаемости (ε) и коэффициента преломления (n) связаны зависимостью:
n=√εμ,
где: μ − магнитная проницаемость.
Для кварца μ = 1, тогда n = √ε.
При мониторинге ВОЛС средой распространения является сердечник оптического волокна (ОВ), которое изготавливается из химически чистого кварца SiO2. По сердечнику распространяется импульсное излучение длиной волны λ = 1550 нм.
Требования процесса производства ОВ к контролю чистоты и качества кварца такие же строгие, как принятые в полупроводниковой промышленности. Однако получить чистый на 100% кварц невозможно из-за остатков примесей ионов металлов и гидроксильных групп (OH), которые образуют центры рассеяния Рэлея.
Фактически такая направляющая среда представляет собой диэлектрический волновод, в котором распространяются электромагнитные колебания оптического диапазона частот − порядка 1014 Гц. Рэлеевское рассеяние индуцируется неоднородностью направляющей среды оптического волокна, где происходит формирование аккустической волны (рис.1) при воздействии энергии импульсного излучения накачки.
Основные компоненты рассеяния Рэлея, краткие характеристики и формулы, устанавливающие взаимосвязь микро- и макропараметров среды распространения излучения накачки, представлены в табл.1.
Значение километрического затухания, рассчитанного по формуле п. 4 обратно пропорционально четвертой степени длины волны и составляет 0,118 дБ/км, что определяет значение мощности обратно рассеянной волны в п.3.
Потери мощности обратно-рассеянного оптического излучения Рэлея:
Px = 0,5P0·∆t·10-5 e-2αx,
Px = 0,5P0·∆t·S·vгр·αd·e-2αx,
где P0 − мощность излучения накачки;
α − километрическое затухание оптического волокна;
x − расстояние до места неоднородности ОВ.
Рассеяние Рэлея объединяет время и пространство понятиями акустическая волна и законами геометрической оптики, что пояснено в п.6 табл.1. При движении акустической волны вдоль сердечника ОВ за счет фотоупругого эффекта кварца происходит периодическая модуляция показателя преломления. Скорость распространения акустической волны изменяется от 5,7 · 103 до 5,94 · 103 м/с согласно выражению:
va=√E/ρ, м/с,
где Е = 71 ГПа − модуль упругости Юнга;
ρ = 2200 кг м3 − удельный коэффициент плотности среды, зависит от параметров сердечника оптического волокна в отклике зондирующего излучения.
Взаимодействие волны импульсного излучения и акустической волны определяется соотношением, приведенным в п.6 табл.1:
λA = λИЗЛ/2n·sinΘ/2, нм,
где n − оптический показатель преломления,
Θ − угол между направлением распространения падающей и отраженной волны.
Эволюция формирования компонентов акустической волны определяется законами волновой и геометрической оптики. Пространственно-временные характеристики рассеяния Рэлея в ОВ способствовали определению километрического затухания согласно выражению [2]:
, дБ/км,
где n – коэффициент преломления среды: 1,48;
k − постоянная Больцмана: 1,38 · 10–23 Дж/К;
T − температура затвердевания кварцевого стекла при вытяжке ОВ: 1500 К;
β − коэффициент изотермической сжимаемости кварца: 8,1 · 10–11 м2/H;
λ − длина волны импульсного излучения накачки 1,568 · 10–6 м.
Заключение
Представлен процесс рассеяния Рэлея, который определяет количественные параметры основных характеристик ОВ согласно законам геометрической и волновой оптики. Оптическая рефлектометрия на принципах рассеяния Рэлея является одной из эффективных технологий контроля пространственно-временных характеристик оптического волокна.
Дальнейшие разработки измерительной техники и метрологического обеспечения специалистов линейно-кабельных сооружений − это практическая реализация динамики развития и внедрения оптических технологий в сетях телекоммуникаций.
ЛИТЕРАТУРА
Engelbrecht R. Nichtlineare Faseroptik. Springer, 2014
Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 272 с.
Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.
Отзывы читателей
